Tranzito trường Field Effect Transistor - FET - Lession 3: Diode

1/72 Lession 3 : Diode ☺ 2/72 Nội dung • Cấu tạo và nguyên lý làm việc của Điot bán dẫn • Các tham số chính của Điot bán dẫn • Sơ đồ t−ơng đ−ơng của Điot bán dẫn • Một số ứng dụng phổ biến của Điot bán dẫn 3/72 Tiếp giỏp PN 4/72 5/72 Dũng khuếch tỏn Ikt • Do chênh lệch nồng độ hạt dẫn giữa hai phía của khu vực mặt ghép PN: pp >> pn và nn >> np nên xảy ra quá trình khuyếch tán lỗ trống từ bán dẫn P sang bán dẫn N và điện tử từ N sang P tạo thành dòng khuyếch tán Ikt • Ikt = Ipkt + Inkt : dòng của hạt dẫn đa số 6/72 ðiện thế tiếp xỳc Utx 7/72 8/72 Utx • Do tồn tại lớp điện tích kép Q, hình thành một điện thế tiếp xúc Utx tại vùng tiếp giáp. Giá trị Utx tính theo công thức sau: • Với chất bán dẫn Ge: Utx ≅ 0,3V Si: Utx ≅ 0,7V • Itrôi = In trôi + I p trôi : dòng của hạt dẫn thiểu số • IΣ = Ikt - I trôi = 0 : ?               p n n p tx n nln q KT = P P ln q KT =U 9/72 Phõn cực cho diode 10/72 11/72 Figure 3: Structure of a vacuum tube diode Figure 2: Various semiconductor diodes. Bottom: A bridge rectifier Figure 1: Closeup of a diode, showing the square shaped semiconductor crystal 12/72 Light Emitting Diode 13/72 14/72 Phân loại diode 15/72 ðặc tuyến V-A 16/72 ðặc tuyến V-A • I=Is[exp( ) -1] • UD : ủiện ỏp ủặt vào ủiốt D • UT : thế nhiệt (=KT/q) • Is : dũng ủiện ngược bóo hũa • m : hệ số tỷ lệ (1ữ2) • K=1,38.10-23J/oK • q= 1,6.10-19 C • rD =m.UT/ID T D mU U 17/72 ðặc tuyến V-A 18/72 • Điện áp mở của Điot Ge nhỏ hơn so với Điot Si: UD0 = 0,3V (Ge) UD0 = 0,7V (Si) • Điot Si có điện áp ng−ợc đánh thủng lớn hơn Điot Ge, (Điot Si giá trị này có thể đạt tới 1000V còn Điot Ge chỉ cỡ khoảng 400V.) • Điot Si có dải nhiệt độ làm việc lớn hơn Điot Ge (nhiệt độ cực đại của Điot Si có thể đạt tới 2000C còn đối với Điot Ge là không quá 1000C). • Dòng ng−ợc của Điot Si nhỏ hơn nhiều so với Điot Ge IS (Si) << IS (Ge). 19/72 ảnh h−ởng của nhiệt độ lên đặc tuyến của Điot ID(mA) UD(V) 5 10 15 20 0,5 0,70,3 0,1àA 0 -10-20-30-40-50-60 100oC 25oC -75oC 100oC 25oC -75oC 20/72 21/72 • Đối với Điot bán dẫn, cứ tăng nhiệt độ thêm 100C dòng IS sẽ tăng gấp đôi (điều này sẽ không tốt, đặc biệt đối với Điot loại Ge). Ví dụ ở 250C, IS ≈ 1àA thì ở 1000C, IS > 0,1mA • Nhiệt độ tăng, điện áp ng−ợc đánh thủng tăng • Nếu giữ dòng ID thuận không đổi thì điện áp trên Điot sẽ phải giảm đi khi nhiệt độ tăng (ng−ời ta nói hệ số nhiệt - điện áp là âm) và bằng khoảng: K mV2= T U 0 D const= D I - δ δ 22/72 Các tham số chính của Điot bán dẫn • Các tham số giới hạn • Các tham số điện • Các tham số cơ khí • Các họ đ−ờng cong đặc tuyến của tham số điện • www.datasheetcatalog.com 23/72 Các tham số giới hạn 24/72 Các tham số điện 25/72 Các họ đ−ờng cong đặc tuyến của tham số điện 26/72 Ví dụ Ví dụ 2-1: PDmax = 500mW ở nhiệt độ 25 0C. ϒPDmax = 4mW/0C Hhy xác định PDmax ở nhiệt độ 100 0C. Giải: Theo công thức (2-63) sẽ có: • PDmax (100 0C) = 500mW - 4mW/0C x (1000C - 250C) = 500mW - 300mW = 200mW. • Nh− vậy khi nhiệt độ tăng từ 250C lên 1000C công suất tiêu tán cực đại của Điot giảm đi chỉ còn 200mW (giảm đi 2,5 lần). 27/72 Điện trở của Điot • - Điện trở một chiều: • - Điện trở xoay chiều rD: hay còn gọi là điện trở động, đ−ợc xác định bởi đạo hàm tại điểm Q: D D D I U R = D D D D D I U dI dU =r ∆ ∆≡ ( )SD T S T D S T D S DD D D I+I=1+ I=e mU 1 I=1)-(e I dU d = dU dI = r 1 TmU 1 S D I I mU 1mU U T mU U                 28/72 Sơ đồ t−ơng đ−ơng của điot • Điot lý t−ởng • D → DLT nếu: Umth >> UD0 Rt + Rth >>rD fmax của Điot >> fth UD ID 0 A DLT K 29/72 30/72 31/72 Sơ đồ t−ơng đ−ơng ở tần số thấp 32/72 33/72 Diode Zener 34/72 Các tham số chính của Điot Zener • - UZ: Điện áp danh định - là điện áp trung bình tiêu biểu của Điot Zener ở vùng làm việc. Thông th−ờng đối với các loại Điot Zener UZ nằm trong khoảng từ 1,8V đến 200V, công suất tiêu tán ở chế độ Zener từ 0,25W đến 50W • - IZ min: Dòng điện tối thiểu - là dòng đủ để Điot duy trì đ−ợc ở chế độ Zener. • - IZ max: Dòng điện tối đa cho phép - nếu I > IZ max Điot sẽ chuyển sang vùng đánh thủng về nhiệt, tiếp giáp bị nóng cục bộ và Điot bị phá huỷ không hồi phục đ−ợc. • - IZ 0: Dòng danh định - là dòng ứng với 1/4 công suất cực đại và đ−ợc tính bằng công thức 2 minmax zz zo II I + = 35/72 • RZ: Điện trở tĩnh • rZ: Điện trở xoay chiều (điện trở động) • Z: Hệ số ổn định • ϒTZ: Hệ số nhiệt - đ−ợc xác định bằng sự thay đổi t−ơng đối của điện áp UZ tính bằng % khi nhiệt độ thay đổi 1 0C. • PZ max: Công suất tiêu tán cực đại trên Điot Zener PZ max = IZ maxUZ • IS: Dòng ng−ợc bJo hoà cực đại ( ) C%/ 100% x T-TU U = 0 0Z Z TZ ∆ γ z z z z z z r R U dU I dI Z == : 36/72 Sơ ủồ tương ủương 37/72 Ví dụ 2-6: Cho Điot Zener 1N961 có các tham số sau (ở nhiệt độ 250C): UZ = 10V ; IZ min = 0,25mA ; IZ max = 32mA; rZ = 8,5Ω ; IS = 10àA ; ϒTZ = + 0,072%/0C; a/ Tính điện áp trên Điot tại giá trị IZ max b/ Tính điện áp trên Điot ở nhiệt độ 650C G : a/ Với dòng IZ max = 32mA sẽ gây nên một gia tăng điện áp trên rZ là: IZ max x rZ = 32mA x 8,5Ω = 272mV Vậy điện áp trên Điot Zener tại giá trị dòng IZ max sẽ bằng: U’Z = UZ + IZ max rZ = 10V + 272mV = 10,272V b/ ϒTZ ở nhiệt độ T = 650C: UZ (T) = UZ (T0) [1 + ϒTZ (T - T0)] ở đây: T0 = 25 0C, T = 650C Vậy UZ (650C) = 10V [1+ 0,072%/0C x (650C - 250C)] = 10,288V 38/72 Điot biến dung (Varicap hoặc Varactor) 39/72 Trong đó: Cv là điện dung của Varicap ε là hằng số điện môi của chất bán dẫn A là diện tích mặt cắt ngang của lớp xúc PN dtx là độ rộng của lớp tiếp xúc Giá trị của CV th−ờng rất nhỏ, khoảng từ 2pF đến 100pF tx v d AC ε= 40/72 tủ 0 LC2 1 =f pi 41/72 Một số ứng dụng phổ biến của Điot bán dẫn • Chỉnh l−u • Hạn chế • ổn áp 42/72 Chỉnh l−u nửa chu kỳ • U0 = 0,318Um t o o R U I = U0 = 0,318 (Um - UD0) 43/72 Ví dụ 2-8: Cho mạch chỉnh l−u nh− hình 2-74a. UV = 220V; Rt = 1KΩ. Điot là loại Si Tính điện áp chỉnh l−u U0, dòng chỉnh l−u I0, điện áp ng−ợc đặt trên Điot ở nửa chu kỳ âm, chọn Điot thích hợp mạch này. 310,2V= U 98,64m= 1K 98,64V = R U = I 98,64V =310,2V x 0,318 = U 310,2V=2220V x =U D ng t 0 0 0 Vm Ω 44/72 • UngD <=2Um 45/72 46/72 Ripple Full-wave ripple frequency is twice AC frequency 47/72 Diode Bridge 48/72 Diode Bridge 49/72 • Điện áp chỉnh l−u: U0 = 0,636Um • Nếu tính đ−ợc hạ áp trên Điot U0 = 0,636 (Um - 2UD0) • Dòng chỉnh l−u: • Điện áp ng−ợc đặt trên Điot ở mức nửa chu kỳ âm: UngD = Um t o o R U I = 50/72 Cú tụ lọc U0 ≈ Um 51/72 Chỉnh l−u cả chu kỳ có điểm giữa • Các tham số cần chọn Điot nh− sau: I0(Điot) > I0(tính toán) Không có tụ lọc Ungmax(Điot) > Um Ungmax(Điot) > 2Um Có tụ lọc 52/72 Chỉnh l−u nhân điện áp • ở nửa chu kỳ d−ơng tụ C1 nạp đến giá trị đỉnh Um qua D1 (nếu coi D1 là lý t−ởng) • ở nửa chu kỳ âm D2 dẫn, D1 khoá, nh− vậy C2 đ−ợc nạp đến giá trị bằng tổng giá trị điện áp trên tụ C1 và trên thứ cấp của biến áp 53/72 Voltage Doubler On negative half-cycle, D1 charges C1 to Vp. On positive half-cycle D2 adds AC peak to Vp on C1 and transfers it all to C2. 54/72 Mạch nhân điện áp n lần 55/72 Mạch hạn mức dùng Điot bán dẫn • Các kiểu hạn mức: – Hạn chế mức d−ới – Hạn chế mức trên – Hạn chế mức trên và d−ới • Hai cách mắc Điot trong mạch: mạch nối tiếp và mạch song song 56/72 Mắc nối tiếp 57/72 58/72 59/72 Mắc song song 60/72 61/72 62/72 63/72 Mạch hạn chế 64/72 65/72 Mạch dịch mức (Clamper) • Điều kiện : 66/72 • Ví dụ 2-9: Vẽ tín hiệu ra đối với mạch dịch mức biết R = 100KΩ, C = 1àF, ftín hiệu = 1000Hz. 67/72 Mạch ổn áp dùng Điot Zener 68/72 Mạch không tải • Ví dụ 2-10: Cho mạch ổn áp dùng Điot Zener không tải với các thông số sau: R0 = 1KΩ, IZmin = 0,5mA, IZmax = 11,5mA, UZ = 10V. Coi Điot Zener là lý t−ởng, hhy tìm điểm làm việc Q ứng với điểm giữa của vùng Zener. Hhy tính điện áp đặt vào cực đại Emax, và cực tiểu Emin? Tính công suất tiêu tán trên Điot Zener tại điểm làm việc Q . • Nếu tính từ điểm Q thì sự thay đổi điện áp vào về 2 phía sẽ đ−ợc tính bằng một nửa toàn bộ l−ợng thay đổi trên tức là bằng = 5,5V và th−ờng đ−ợc viết ∆E = ±5,5V 69/72 Mạch có tải ZZZ0 t ZZZ 0Z rI+U+RR rI+U +RI=E ( ) ( ) +1U+++1RI=E tR Rrr o RRo Zt0Z ZZ ( ) +1U+RI=E tR R o Z0Z 70/72 • Ví dụ 2-11: Xác định giá trị cực tiểu và cực đại của điện áp vào: Emin, Emax nếu biết IZmin = 1mA, IZmax = 15mA, UZ = 5V, rZ = 10Ω, R0 = 1KΩ, Rt = 1KΩ. 71/72 Tóm tắt ðIỐT BÁN DẪN 1. Khỏi niệm và phõn loại 2. ðiot chỉnh lưu tần số thấp 5.2.1. Cấu tạo, tham số và ủặc tuyến 5.2.2. Mụ hỡnh tương ủương 5.2.3. Vớ dụ ứng dụng 3. ðiốt Zener 3.1. Cấu tạo, tham số và ủặc tuyến 3.2. Vớ dụ ứng dụng 4. ðiốt biến dung (Varicap) 4.1. Cấu tạo, tham số, ủặc tuyến 4.2. Vớ dụ ứng dụng 5. Một số ủiốt ủặc biệt 5.1. Nguyờn lý cấu tạo của ủiốt Tunen, Schottky, ủiốt PIN, ủiốt thỏc, ủiốt Gunn 5.2. Tớnh chất và ứng dụng của chỳng 72/72